Abstract The lithium (Li)‐metal anode offers a promising solution for high‐energy‐density lithium‐metal batteries (LMBs). However, the significant volume expansion of the Li metal during charging results in poor cycling stability as a result of the dendritic deposition and broken solid electrolyte interphase. Herein, a facile one‐step roll‐to‐roll fabrication of a zero‐volume‐expansion Li‐metal‐composite anode (zeroVE‐Li) is proposed to realize high‐energy‐density LMBs with outstanding electrochemical and mechanical stability. The zeroVE‐Li possesses a sandwich‐like trilayer structure, which consists of an upper electron‐insulating layer and a bottom lithiophilic layer that synergistically guides the Li deposition from the bottom up, and a middle porous layer that eliminates volume expansion. This sandwich structure eliminates dendrite formation, prevents volume change during cycling, and provides outstanding flexibility to the Li‐metal anode even at a practical areal capacity over 3.0 mAh cm −2 . Pairing zeroVE‐Li with a commercial NMC 811 or LCO cathode, flexible LMBs that offer a record‐breaking figure of merit (FOM, 45.6), large whole‐cell energy density (375 Wh L −1 , based on the volume of the anode, separator, cathode, and package), high‐capacity retention (> 99.8% per cycle), and remarkable mechanical robustness under practical conditions are demonstrated.

Abstract The main protease (M pro ) of SARS-CoV-2, the pathogen responsible for the COVID-19 pandemic, is a key antiviral drug target. While most SARS-CoV-2 M pro inhibitors have a γ-lactam glutamine surrogate at the P1 position, we recently discovered several M pro inhibitors have hydrophobic moieties at the P1 site, including calpain inhibitors II/XII, which are also active against human cathepsin L, a host-protease that is important for viral entry. To determine the binding mode of these calpain inhibitors and establish a structure-activity relationship, we solved X-ray crystal structures of M pro in complex with calpain inhibitors II and XII, and three analogues of GC-376 , one of the most potent M pro inhibitors in vitro . The structure of M pro with calpain inhibitor II confirmed the S1 pocket of M pro can accommodate a hydrophobic methionine side chain, challenging the idea that a hydrophilic residue is necessary at this position. Interestingly, the structure of calpain inhibitor XII revealed an unexpected, inverted binding pose where the P1’ pyridine inserts in the S1 pocket and the P1 norvaline is positioned in the S1’ pocket. The overall conformation is semi-helical, wrapping around the catalytic core, in contrast to the extended conformation of other peptidomimetic inhibitors. Additionally, the structures of three GC-376 analogues UAWJ246 , UAWJ247 , and UAWJ248 provide insight to the sidechain preference of the S1’, S2, S3 and S4 pockets, and the superior cell-based activity of the aldehyde warhead compared with the α-ketoamide. Taken together, the biochemical, computational, structural, and cellular data presented herein provide new directions for the development of M pro inhibitors as SARS-CoV-2 antivirals.

Abstract As the COVID-19 pandemic continues to fold out, the morbidity and mortality are increasing daily. Effective treatment for SARS-CoV-2 is urgently needed. We recently discovered four SARS-CoV-2 main protease (M pro ) inhibitors including boceprevir, calpain inhibitors II and XII and GC-376 with potent antiviral activity against infectious SARS-CoV-2 in cell culture. Despite the weaker enzymatic inhibition of calpain inhibitors II and XII against M pro compared to GC-376, calpain inhibitors II and XII had more potent cellular antiviral activity. This observation promoted us to hypothesize that the cellular antiviral activity of calpain inhibitors II and XII might also involve the inhibition of cathepsin L in addition to M pro . To test this hypothesis, we tested calpain inhibitors II and XII in the SARS-CoV-2 pseudovirus neutralization assay in Vero E6 cells and found that both compounds significantly decreased pseudoviral particle entry into cells, indicating their role in inhibiting cathepsin L. The involvement of cathepsin L was further confirmed in the drug time-of-addition experiment. In addition, we found that these four compounds not only inhibit SARS-CoV-2, but also SARS-CoV, MERS-CoV, as well as human coronaviruses (CoVs) 229E, OC43, and NL63. The mechanism of action is through targeting the viral M pro , which was supported by the thermal shift binding assay and enzymatic FRET assay. We further showed that these four compounds have additive antiviral effect when combined with remdesivir. Altogether, these results suggest that boceprevir, calpain inhibitors II and XII, and GC-376 are not only promising antiviral drug candidates against existing human coronaviruses, but also might work against future emerging CoVs.

ABSTRACT Understanding how genetic variants impact molecular phenotypes is a key goal of functional genomics, currently hindered by reliance on a single haploid reference genome. Here, we present the EN-TEx resource of personal epigenomes, for ∼25 tissues and >10 assays in four donors (>1500 open-access functional genomic and proteomic datasets, in total). Each dataset is mapped to a matched, diploid personal genome, which has long-read phasing and structural variants. The mappings enable us to identify >1 million loci with allele-specific behavior. These loci exhibit coordinated epigenetic activity along haplotypes and less conservation than matched, non-allele-specific loci, in a fashion broadly paralleling tissue-specificity. Surprisingly, they can be accurately modelled just based on local nucleotide-sequence context. Combining EN-TEx with existing genome annotations reveals strong associations between allele-specific and GWAS loci and enables models for transferring known eQTLs to difficult-to-profile tissues. Overall, EN-TEx provides rich data and generalizable models for more accurate personal functional genomics.

Abstract Almost all animals and plants are inhabited by diverse communities of microorganisms, the microbiota, thereby forming an integrated entity, the metaorganism. Natural selection should favor hosts that shape the community composition of these microbes to promote a beneficial host-microbe symbiosis. Indeed, animal hosts often pose selective environments, which only a subset of the environmentally available microbes are able to colonize. How these microbes assemble after colonization to form the complex microbiota is less clear. Neutral models are based on the assumption that the alternatives in microbiota community composition are selectively equivalent and thus entirely shaped by random population dynamics and dispersal. Here, we use the neutral model as a null hypothesis to assess microbiata composition in host organisms, which does not rely on invoking any adaptive processes underlying microbial community assembly. We show that the overall microbiota community structure from a wide range of host organisms, in particular including previously understudied invertebrates, is in many cases consistent with neutral expectations. Our approach allows to identify individual microbes that are deviating from the neutral expectation and which are therefore interesting candidates for further study. Moreover, using simulated communities we demonstrate that transient community states may play a role in the deviations from the neutral expectation. Our findings highlight that the consideration of neutral processes and temporal changes in community composition are critical for an in-depth understanding of microbiota-host interactions.

Abstract Pharmacologic perturbation projects, such as Connectivity Map (CMap) and Library of Integrated Network-based Cellular Signatures (LINCS), have produced many perturbed expression data, providing enormous opportunities for computational therapeutic discovery. However, currently there is no consensus on which methodologies and parameters are the most optimal to conduct such analysis. Aiming to fill this gap, we developed new benchmarking standards for quantitatively estimating drug retrieval performance. Investigations of potential factors influencing drug retrieval were conducted based on these standards. As a result, we determined an optimal strategy for LINCS data-based therapeutic discovery. With this approach, we further identified new therapeutics for liver cancer of which the current treatment modalities remain imperfect. Both computational and experimental results demonstrated homoharringtonine (HHT) could be a promising anti-liver cancer agent. In summary, our findings will not only impact the future applications of LINCS data but also offer new opportunities for therapeutic intervention for liver cancer.

Abstract SARS-CoV-2 main protease (M pro ) is one of the most extensive exploited drug targets for COVID-19. Structurally disparate compounds have been reported as M pro inhibitors, raising the question of their target specificity. To elucidate the target specificity and the cellular target engagement of the claimed M pro inhibitors, we systematically characterize their mechanism of action using the cell-free FRET assay, the thermal shift-binding assay, the cell lysate Protease-Glo luciferase assay, and the cell-based Flip-GFP assay. Collectively, our results have shown that majority of the M pro inhibitors identified from drug repurposing including ebselen, carmofur, disulfiram, and shikonin are promiscuous cysteine inhibitors that are not specific to M pro , while chloroquine, oxytetracycline, montelukast, candesartan, and dipyridamole do not inhibit M pro in any of the assays tested. Overall, our study highlights the need of stringent hit validation at the early stage of drug discovery. Graphical abstract Flip-GFP and Protease-Glo luciferase assays, coupled with the FRET and thermal shift binding assays, were applied to validate the reported SARS-CoV-2 M pro inhibitors.

Abstract Multiciliated cells (MCCs) in the brain include the ependymal cells and choroid plexus (CP) epithelial cells. The CP secretes cerebrospinal fluid that circulates within the ventricular system, driven by ependymal cilia movement. However, the mechanisms and functional significance of multiciliogenesis in the CP remain unknown. Deregulated oncogenic signals cause CP carcinoma (CPC), a rare but aggressive pediatric brain cancer. Here we show that aberrant NOTCH and Sonic Hedgehog signaling in mice drive tumors that resemble CPC in humans. NOTCH-driven CP tumors were monociliated, whereas disruption of the NOTCH complex restored multiciliation and decreased tumor growth. NOTCH suppressed multiciliation in tumor cells by inhibiting the expression of GEMC1 and MCIDAS, early regulators of multiciliogenesis. Consistently, GEMC1-MCIDAS function is essential for multiciliation in the CP, and is critical for correcting multiciliation defect in tumor cells by a NOTCH inhibitor. Disturbances to the GEMC1 program are commonly observed in human CPCs characterized by solitary cilia. Consistently, CPC driven by deletion of Trp53 and Rb1 in mice exhibits a cilia deficit consequent to loss of Gemc1-Mcidas expression. Taken together, these findings reveal a GEMC1-MCIDAS multiciliation program in the CP critical for inhibiting tumorigenesis, and it may have therapeutic implications for the treatment of CPC.

Abstract Proteins are responsible for nearly all cell functions throughout cellular life. To date, the molecular functions of hundreds of proteins have been studied as they are critical to cellular processes. Those proteins are varied dramatically at different statuses and differential stages of the cells even in the same tissue. The existing single-cell tools can only analyze dozens of proteins and thus have not been able to fully characterize a cell yet. Herein, we present a single-cell cyclic multiplex in situ tagging (CycMIST) technology that affords the comprehensive functional proteome profiling of single cells. It permits multiple, separate rounds of multiplex assays of the same single cells on a microchip where each round detects 40-50 proteins. A decoding process is followed to assign protein identities and quantify protein detection signals. We demonstrate the technology on a neuron cell line by detecting 182 proteins that includes surface makers, neuron function proteins, neurodegeneration markers, signaling pathway proteins and transcription factors. Further study on 5XFAD mouse, an Alzheimer’s Disease (AD) model, cells validate the utility of our technology which reveals the deep heterogeneity of brain cells. Through comparison with control mouse cells, the differentially expressed proteins in the AD mouse model have been detected. The single-cell CycMIST technology can potentially analyze the entire functional proteome spectrum, and thus it may offer new insights into cell machinery and advance many fields including systems biology, drug discovery, molecular diagnostics, and clinical studies.

Abstract An unexpected observation among the COVID-19 pandemic is that smokers constituted only 1.4-18.5% of hospitalized adults, calling for an urgent investigation to determine the role of smoking in SARS-CoV-2 infection. Here, we show that cigarette smoke extract (CSE) and carcinogen benzo(a)pyrene (BaP) increase ACE2 mRNA but trigger ACE2 protein catabolism. BaP induces an aryl hydrocarbon receptor (AhR)-dependent upregulation of the ubiquitin E3 ligase Skp2 for ACE2 ubiquitination. ACE2 in lung tissues of non-smokers is higher than in smokers, consistent with the findings that tobacco carcinogens downregulate ACE2 in mice. Tobacco carcinogens inhibit SARS-CoV-2 Spike protein pseudovirions infection of the cells. Given that tobacco smoke accounts for 8 million deaths including 2.1 million cancer deaths annually and Skp2 is an oncoprotein, tobacco use should not be recommended and cessation plan should be prepared for smokers in COVID-19 pandemic.